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L’exploitation de notre sous-sol, notamment par des opérations d’injection dans le cadre de projets de géothermie ou stockage du CO2, semble prometteuse. Mais comment limiter la menace de séismes provoqués par ces activités? Des chercheurs de l’EPFL et de l’Office fédéral de l’énergie se sont penchés sur le sujet.

Tous les tremblements de terre ne sont pas d’origine naturelle. Certaines secousses sont directement ou indirectement déclenchées par des activités humaines. Ces «séismes induits» font partie des plus grands défis liés aux opérations d’injection de fluides (liquides ou gazeux) dans les sous-sols, telles que les projets de géothermie profonde ou le stockage du CO2.

Des chercheurs du Laboratoire de mécanique des sols (LMS) de l’EPFL et de l’Office fédéral de l’énergie (OFEN) ont uni leurs forces pour proposer de nouvelles stratégies qui permettraient de réduire les risques de séismicité induite liés à ces activités. Leur travail est publié dans la revue Geophysical Journal International.

 

Un entraînement personnalisé pour la géothermie profonde
Suite aux séismes de Bâle en 2006 et de Saint-Gall en 2013, la géothermie profonde, et plus particulièrement le Système Géothermique Stimulé (SGS), fait débat en Suisse. Durable, renouvelable et neutre en carbone, l’énergie géothermique est pourtant une piste à explorer en vue des ambitions zéro carbone et de la stratégie énergétique 2050 de la Suisse.

Le principe du SGS est de créer artificiellement un réservoir géothermique dans des roches chaudes sèches et imperméables à 3 kilomètres ou plus de profondeur. Pour ceci, on a recours à des injections hydrauliques sous pression, appelées «stimulations». Le problème est que celles-ci peuvent s’accompagner d’une activité microsismique.

En effet, lorsque l’on injecte un fluide dans un réservoir géothermique, la pression interstitielle (pression exercée par l’eau contenue dans les pores de la roche) augmente. «On pense souvent que c’est uniquement ce phénomène qui est à l’origine des séismes induits. Or, ce n’est pas si simple», explique Barnaby Fryer, assistant-doctorant au LMS et premier auteur de l’étude. «Le régime de contraintes tectoniques, c’est-à-dire la géométrie et le sens de mouvement de la faille, entre également dans l’équation».

 

Un numéro d’équilibriste
Il existe trois types de régimes de contraintes: extensif (les deux blocs sont tirés dans des directions opposées), compressif (les deux blocs sont comprimés l’un contre l’autre) et coulissant (les deux blocs coulissent horizontalement). Ces régimes sont la conséquence des forces exercées verticalement et horizontalement sur les blocs rocheux.

Images: Barnaby Fryer, LMS/EPFL
De gauche à droite: régime extensif, régime compressif, régime coulissant

Les scientifiques de l’EPFL et de l’Office fédéral de l’énergie sont partis du constat que plus la contrainte différentielle est faible (c’est-à-dire que les contraintes maximales et minimales sont proches en amplitude), plus la faille est stabilisée et, par conséquent, plus le risque de tremblement de terre est faible. «La question qui se pose donc est: quel est le régime de contrainte auquel est soumis le réservoir et de quelle manière peut-on l’influencer afin de limiter les événements mouvements sismiques de grande ampleur?», souligne Gunter Siddiqi, chef adjoint de la section Recherche énergétique de l’OFEN et deuxième auteur de l’étude.

Les chercheurs proposent donc une sorte d’entraînement du réservoir géothermique en amont des stimulations. Dans le cas d’une faille inversée, où la contrainte horizontale domine, un fluide froid est injecté dans le sous-sol pendant une longue période (un an au minimum). «Le refroidissement du réservoir va entraîner une contraction de la roche et donc permettre de diminuer la force horizontale exercée sur elle», détaille Barnaby Fryer. «La contrainte différentielle étant moins importante, les risques de tremblement de terre seront moindres».

 

Mettre la pression
Contrairement à ce que l’on peut penser, l’injection à haute pression n’est pas toujours synonyme de sismicité. «Dans presque tous les réservoirs, seule la contrainte horizontale change de manière significative», décrit Barnaby Fryer. «Dans un régime extensif, la contrainte verticale est plus importante que la contrainte horizontale. De ce fait, si on augmente la pression interstitielle en injectant un liquide, la contrainte horizontale va augmenter et se rapprocher de la valeur de la contrainte verticale, diminuant ainsi la différence entre les deux.»

Cette opération va stabiliser la faille, à condition de la réaliser dans un réservoir où les contraintes réagissent de manière significative au changement de pression interstitielle. «C’est pourquoi il est important de connaitre les propriétés d’un réservoir avant toute opération d’injection», précise le chercheur.

 

Des enjeux importants
Selon Gunter Siddiqi, cette étude met en place des modèles qui donnent aux industriels les outils pour minimiser les risques de séismes induits. «Être capable de prendre en compte tous les scénarios et d’agir en fonction pourrait permettre de développer des projets prometteurs», conclut le scientifique.

Julie Haffner, EPFL Mediacom

Cet article a déjà été publié sur le site internet de l’EPFL.

Ce soir, l’Office fédéral de l’énergie décerne pour la treizième fois le Watt d’Or, le prix suisse de l’énergie. L’édition 2020 distingue les lauréats suivants: ZHAW en collaboration avec Schmid Hutter AG Winterthur et Meyer Orchideen AG (catégorie Technologies énergétiques), Regio Energie Solothurn (catégorie Énergies renouvelables), Viktor Meili AG et Designwerk Products AG (catégorie Mobilité économe en énergie), et l’EPFZ (catégorie Bâtiments et espace). Weiterlesen

Im geplanten geologischen Tiefenlager für schwach- und mittelaktive Abfälle (SMA) wird Platz sein für gewisse Mengen an radioaktivem Abfall. Die Kapazitäten des Lagers basieren auf Prognosen. Aufgrund des geltenden Verbots von neuen Kernkraftwerken im Kernenergiegesetz gehen diese davon aus, dass keine neuen Abfälle aus Kernkraftwerken mehr hinzukommen werden. Weiterhin wird es aber SMA-Abfälle aus den Bereichen Medizin, Industrie und Forschung geben. Deshalb hat die Arbeitsgruppe des Bundes für die nukleare Entsorgung (Agneb) 2018 eine Untergruppe ins Leben gerufen, die sich Gedanken zum Umgang mit diesen Abfällen macht und dazu einen Bericht erarbeitet. Diesen Bericht hat die Agneb Ende 2019 zur Kenntnis genommen und diskutiert. Weiterlesen

Dank ProKilowatt ist auch im aktuellen Jahr wieder viel Strom gespart worden: Insgesamt förderte das BFE-Programm 47 Projekte mit 12 Millionen Franken und 10 Programme mit 19 Millionen Franken (siehe Medienmitteilung vom 5. Dezember). Die Bandbreite der geförderten Projekte ist auch heuer beachtlich: Da wurden beispielsweise Antriebe von Bergbahnen energieoptimiert, gesamte Produktionslinien in Industriebetrieben durch stromeffizientere Produktionslinien ersetzt oder die Kälteanlagen in Lebensmittelverteilzentren auf eine effizientere Lösung umgebaut. Weiterlesen

Für viele industrielle Prozesse ist die Stromversorgungssicherheit von grösster Bedeutung. Das Stromnetz hält daher stets signifikante Backupkapazitäten für den Fall der Fälle bereit. Im Zuge des Umbaus unserer Energieversorgung drängen durch die sogenannte Sektorkopplung (Power-to-X) nun vermehrt neue Technologien wie Batterien, Elektrokessel, Elektrolyseure etc. ins Stromnetz. Weiterlesen

Alle fünf Jahre muss sich jedes Mitgliedsland der Internationalen Energieagentur (IEA) einer Tiefenprüfung unterziehen. Ein internationales Team aus Experten überprüft während einer Woche den aktuellen Stand der Energiepolitik dieses Landes und trifft sich dazu mit Behörden, Verbänden, Regulatoren und weiteren Organisationen. Weiterlesen

Biogas aus der Fermentierung organischer Abfälle aus Industrie, Haushalten oder der Landwirtschaft wird heute gern in Blockheizkraftwerken zur Produktion von Strom und Wärme genutzt. Vermehrt wird Biogas in jüngster Zeit aber auch zu erneuerbarem Methan veredelt, das ins Erdgasnetz eingespeist oder direkt zur Betankung gasbetriebener Fahrzeuge eingesetzt werden kann. Weiterlesen

Benoît Revaz ist seit drei Jahren Direktor im Bundesamt für Energie BFE. Er wird am Motor Summit 2019 in Bern der Keynote-Redner sein. Im Interview erzählt er, was seine Vorstellungen zur Rolle der Industrie sind.

Herr Direktor, wo steht die Schweiz in Sachen Energieverbrauch?

Der Stromverbrauch der Schweiz stagniert seit 15-20 Jahren bei rund 60 Terawattstunden. Dies zeigt, dass es gelungen ist, den Energieverbrauch vom BIP zu entkoppeln. Wachstum ist nicht mehr automatisch mit mehr Stromverbrauch verbunden. Wir haben uns stark zu einer Dienstleistungsgesellschaft gewandelt. Zudem ist die Effizienz allgemein gestiegen.

Also ist die Schweiz auf Kurs in Sachen Energiewende?

Ja und Nein. Wir haben zum Beispiel im Haushalt massiv mehr elektrische Geräte, aber der Verbrauch steigt dank Effizienzvorschriften nicht. Bei den Widerstandsheizungen oder Beleuchtungen im Winter bleibt aber noch viel zu tun; sie alleine verbrauchen mehrere Terawattstunden. Das entspricht ziemlich genau dem Winterstromdefizit der Schweiz. Da liegt also noch ein grosses Potenzial.

Kritiker sagen, dass die Umstellung auf erneuerbare Energien – Wind, PV oder Geothermie – viel zu langsam gehe. So könne das angestrebte Ziel eines CO2-freien 2050 nie erreicht werden.

Das kann man so nicht sagen. Im Bereich Photovoltaik sind wir zum Beispiel weiter als in den Annahmen vor zehn Jahren. Derzeit denken wir die Energieperspektiven der Schweiz neu – das ist eine grosse Baustelle in meinem Amt. Wir planen dabei bis 2060. In unseren Modellen überlegen wir, was passiert, wenn wir die Klimaziele nicht erreichen, die wir im Abkommen von Paris unterzeichnet haben. Wir setzen auf den Markt – aber was geschieht, wenn er verzerrt ist und nicht mitzieht? Das ist die grosse Unbekannte.

Was sind Ihre grössten Sorgenkinder?

Für gewisse Technologien ist es schwierig, den Kurs zu halten. So gibt es etwa bei Wind oder Geothermie viele Widerstände. Die Gerichtsinstanzen müssen hier erst Klarheit schaffen. Dieser Prozess braucht sehr viel Zeit.

Unsere Industrie verbraucht 30 Prozent (VSE) des Stroms in der Schweiz. Welche Rolle spielt die Industrie bei der Erreichung der Ziele für Strom in der Energiestrategie 2050?

Ohne Beteiligung der Industrie erreichen wir das nicht. Sie hat eine wichtige Rolle in der Umsetzung und hat sehr früh Effizienzmassnahmen eingeleitet. Die Richtwerte bei der Reduktion des Stroms bis 2035 sind bei der Industrie 13 Prozent, das steht im Gesetz.

Motoren spielen beim Stromverbrauch in der Industrie eine entscheidende Rolle. Rund zwei Drittel des Industriestroms gehen auf das Konto der rund zwei Millionen Elektromotoren im Land. Welche Instrumente hat das BFE, um die Energieeffizienz der Motoren weiter zu verbessern?

Einerseits gibt es die regulatorische Seite, wobei wir die Mindestanforderungen der EU übernehmen (aktuell IE3 bzw. IE2 mit Frequenzumrichter). Wir machen keinen Alleingang bei den Verpflichtungen, sondern setzen auf das gleiche Niveau, damit der Industrie daraus keine Nachteile entstehen. Anderseits sind es die freiwilligen Massnahmen der Industrie zur Effizienzsteigerung.

Was beinhalten diese Massnahmen?

Wir reden von Prozessen und Systemen, die Einsparungen von 30 bis 50 Prozent erlauben! Für KMUs haben wir das Programm für professionelle Energieberatung PEIK, für grössere Unternehmen die Zielvereinbarungen, um die Potenziale auszuschöpfen. Dann haben wir auch das Programm ProKilowatt, wo wir gewisse Massnahmen unterstützen, wenn der Payback höher als vier Jahre liegt. Dabei können sich auch die Partner einer ganzen Branche, etwa jene der Kläranlagen-Betreiber, zusammenschliessen und gemeinsam Motoren bestellen und so viel einsparen. Dabei spielen natürlich auch die Investitionszyklen eine Rolle, also die Erneuerungsraten, aber auch die Entwicklung der Märkte selber.

Wie steht es mit dem Willen zur Erneuerung des Motorenparks?

Das Trägheits-Moment spielt eine gewisse Rolle; manche Unternehmen belassen lieber die alten Motoren, als dass sie neue, effizientere anschaffen. Gründe dafür: man hat Angst, Produktionsprozesse zu unterbrechen. Zudem ist der Industriestrom günstig.

Reicht der blosse Ersatz der Motoren?

Über den blossen Austausch alter Motoren hinaus können sicher auch die Ingenieure die Arbeitsprozesse vereinfachen und Produktionsprozesse effizienter machen, um die Produktivität zu erhöhen. Dabei muss aber auch das Management des Unternehmens vom Wert solcher Massnahmen, sowie von der Betrachtung der gesamten Systeme, überzeugt werden.

Wie können Widerstände überwunden werden?

Oft fehlt es schlicht an Knowhow. Wir vom BFE unterstützen Kurse zur Weiterbildung, die unter anderem durch Topmotors erfolgen. Dann spielen die Investitionsausgaben immer eine Rolle. Sie müssen sich im Einsparpotenzial wiederspiegeln.

Haben Sie den Eindruck, dass dies in der Industrie angekommen ist?

Pauschal kann ich das nicht beantworten. Die Sorgen rund um die Kosten sind in der Industrie stets ein grosses Thema. Sie steht im Wettbewerb und muss effizient sein. Aber nochmals: Bei grossen Investitionsprojekten können wir mit unseren diversen Förderprogrammen helfen. Damit können wir Hindernisse überwinden helfen.

Welches ist die Rolle der Schweiz bei energieeffizienten Antriebssystemen auf internationaler Ebene?

Wir sind als Beobachter präsent in den verschiedenen EU-Gremien in Brüssel, wo man unserer Stimme zuhört. Wir nehmen an den spezifischen Konferenzen teil – etwa der Internationalen Energieagentur IEA oder am Schweizer Motor Summit – und können da die Erfahrungen der Schweiz einbringen. Wir sind stolz, dass Deutschland und auch Grossbritannien unser Förderinstrument ProKilowatt übernommen haben. Erstaunlich: auch die Türkei ist sehr interessiert, da dort die Energie vergleichsweise teuer ist und ein grosses Interesse an effizienten Elektromotoren besteht.

Was sind die bewährten Mittel zur Förderung?

Wir setzen auf Subsidiarität, also die Eigenverantwortung der Industrie, sei es bei regulatorischen Massnahmen oder bei gewissen Anreizen. Aber dann muss auch der Markt spielen.

Gemäss dem neuesten Topmotors Market Report sind bereits zwei Drittel der in der Schweiz 2017 verkauften Motoren mit 0.75 bis 375 kW Leistung hocheffiziente IE3- und IE4-Motoren. Entspricht das den Zielen des BFE?

Das ist eine sehr gute Nachricht und zeigt die Wahrnehmung in der Industrie. Wir sind nicht überrascht, dass professionelle Unternehmen Prozessbetrachtungen anstellen. Sie handeln nicht aus idealistischen Gründen, sondern haben bei den Berechnungen festgestellt, dass es sich einfach lohnt, hocheffiziente Motoren einzusetzen.

Begrüsst die Schweiz die anstehende Verschärfung der Mindestanforderungen der EU bei Elektromotoren, Umwälzpumpen, Wasserpumpen, Ventilatoren?

Es ist wichtig, dass sich die Mindestanforderungen ständig weiterentwickeln. Die regulatorischen Massnahmen müssen die technische Entwicklung aber auch antizipieren. Die Schweiz hat bei IE3-Motoren bereits 2014 vorgespurt, indem als Alternative IE2-Motoren mit Frequenzumrichtern (FU) erlaubt wurden. Trotz IE2 und FU werden mehr und mehr IE3- und IE4-Motoren angeschafft. Das sind gute Signale und zeigt, dass die Industrie ihre Rolle wahrnimmt, und dass sie die Vorteile dieser Motoren erkannt hat.

Wie wollen Sie die Teilnehmenden motivieren, ihre Antriebssysteme weiter zu verbessern?

Jedes Jahr werden in der Schweiz 170‘000 Motoren verkauft, davon sind viele effiziente Motoren. In der Gesamtbetrachtung spart man über die Zeit Geld, nicht nur weil der Energieverbrauch gesenkt wird, sondern weil die Produktionsprozesse flexibler und effizienter werden. Das wäre meine erste Botschaft.

Was verstehen Sie unter flexiblen Produktionsabläufen?

Den Stromverbrauch zu gewissen Hochpreiszeiten vermeiden und die Prozesse den Energiepreisen und den physischen Gegebenheiten des Netzes anpassen. Unsere Stromversorgung ist immer für den Spitzenverbrauch ausgelegt. Und das kostet extrem viel Geld. Wenn zum Beispiel im Dezember die Preise für Spitzenstrom hoch sind, kann ein cleverer Unternehmer die Produktion um 4 Uhr morgens starten.

Sie sind Keynote Speaker beim Motor Summit 2019, der am 4. Dezember in Bern stattfindet. Welche Botschaften möchten Sie vermitteln?

Als Fribourger möchte ich bereits im Voraus den Appell an die Landsleute in der Westschweiz richten, dass sie in Bern am Summit teilnehmen! Wichtig am Motor Summit sind meiner Meinung nach die «best practices» – also gute und schlechte Erfahrungen auszutauschen. Es ist wichtig, aus Fehlinvestitionen zu lernen.

Was sind weitere Botschaften am Summit 2019?

Dass die Unternehmen, die sich das leisten können, ihre Kompetenzen weiterentwickeln, oder dass sie mittels der verschiedenen Programme, Zielvereinbarungen etc. sich Kompetenzen und Expertisen einholen, um ihr Potenzial abzuschöpfen.

Wo hapert es am meisten?

Auf allen Niveaus – sei es in Haushalten, Unternehmen, Gemeinden oder der öffentlicher Hand – fehlt der Überblick über mögliche Einsparpotenziale. Und dass man über PEIK oder die Zielvereinbarungen eine Analyse des Energiepotenzials vornimmt.

Werden Sie die Teilnehmer des Summits auch an ihre Verpflichtung erinnern, einen Beitrag zur Energiewende bzw. zur Energiestrategie beizusteuern?

Die Industrie verbraucht 30 Prozent des Gesamtstroms, d.h. sie muss ihren Beitrag leisten und bis 2035 13 Prozent einsparen. Das ist ein enger Planungshorizont für die Industrie, was die Umwandlung von Produktionsprozessen betrifft. Das heisst, sie müssen heute ihren Betrieb analysieren und Potenziale ausschöpfen.

Wie steht es mit den CO2-neutralen Prozessen in der Produktion, im Gebäudebereich, in der Mobilität?

Diesem Anliegen trägt die Revision des CO2-Gesetzes Rechnung – sie wird diesen Herbst im Ständerat behandelt. Und das wird noch eine zusätzliche Herausforderung für die Industrie sein.

Das Interview hat Stefan Hartmann am 15. August 2019 geführt.

Les achats publics représentent environ 6% du PIB suisse, soit environ 40 milliards de CHF. On dénombre en Suisse plus de 700 services industriels, plus de 2’200 communes et environ 150 villes de plus de 10’000 habitants. Ce sont des clients importants pour certaines startups cleantech. Weiterlesen

Les images de Greta Thunberg sillonnant l’Europe en train ont marqué les esprits. En 2019, les habitudes de voyage ont indéniablement évolué. A l’OFEN, les collaborateurs prennent plus facilement le train ou même le vélo, comme notre collègue Christian Bühlmann, au lieu de l’avion pour leurs voyages de service à l’étranger. Ces changements s’inscrivent aussi dans les objectifs de la Confédération. J’ai donc naturellement choisi ce moyen de transport pour me rendre à une conférence à Londres la semaine dernière. Weiterlesen